Récord cuántico: físicos chinos entrelazan memorias cuánticas a 420 km de fibra óptica

Publicado en Physical Review Letters como sugerencia de los editores (Editors' Suggestion) y presentado inicialmente en arXiv , el experimento es un paso concreto desde las redes cuánticas de escala metropolitana hacia enlaces interurbanos reales.

Cómo funcionó el experimento

El sistema se construyó en torno a dos nodos de memoria cuántica, apodados Alicia y Bob, con un nodo de medición central (Charlie) entre ellos . Cada nodo de memoria era una nube de átomos de rubidio-87 enfriada y atrapada por láseres. Para crear el entrelazamiento, el equipo utilizó un protocolo bien conocido llamado DLCZ (por las iniciales de sus creadores: Duan-Lukin-Cirac-Zoller) . En este enfoque, cada memoria emite de forma probabilística un solo fotón. La detección de ese fotón en el nodo central indica que las dos memorias se han entrelazado.

El equipo tuvo que superar tres obstáculos principales para alcanzar los 420 km:

Conversión de longitud de onda. Las memorias de rubidio emiten naturalmente fotones a unos 780 nm, en el infrarrojo cercano. Estos serían rápidamente absorbidos en recorridos largos por fibra. El equipo convirtió cada fotón a la banda de telecomunicaciones (alrededor de 1550 nm), la misma longitud de onda que se usa en las comunicaciones por fibra óptica estándar, para que la señal pudiera viajar cientos de kilómetros sin ser absorbida .

Estabilización activa. A lo largo de 420 km de fibra, los cambios de temperatura, las vibraciones y otros efectos mecánicos pueden destruir la relación de fase necesaria para la interferencia de un solo fotón. El equipo implementó un sistema de estabilización que compensaba continuamente estas fluctuaciones, preservando la coherencia a lo largo de todo el enlace .

Interferencia de fotón único. La medición central que crea el entrelazamiento ocurre en el nodo central, donde interfieren los fotones provenientes de Alicia y Bob. Lograr una interferencia estable con fotones individuales a lo largo de una distancia tan larga fue un desafío técnico importante que el equipo resolvió con éxito .

Superando el límite PLOB

Quizás el hallazgo más significativo es que el experimento superó el límite PLOB —la tasa máxima teórica a la que se puede distribuir entrelazamiento a través de un canal con pérdidas sin repetidores cuánticos . La probabilidad medida de entrelazamiento memoria-memoria superó este límite a distancias superiores a aproximadamente 230 km, y la ventaja continuó creciendo a medida que aumentaba la longitud de la fibra hasta los 420 km . Como señaló un informe, esta es la primera demostración basada en memoria que supera ese techo fundamental .

El equipo también demostró que su esquema asistido por memoria supera a la distribución directa de entrelazamiento por fibra más allá de aproximadamente 320 km . Esto ocurre porque el enfoque basado en memoria escala con la raíz cuadrada de la transmitancia del canal, mientras que la transmisión directa escala linealmente con la transmitancia —una diferencia fundamental que da ventaja a las memorias en largas distancias .

Por qué es importante para la internet cuántica

Cambia la escala de metropolitana a interurbana. Los récords anteriores de entrelazamiento materia-materia por fibra estaban en el rango de 50–100 km, cubriendo un área metropolitana típica . A 420 km, el experimento cruza hacia distancias que conectan ciudades. Como escriben los autores, "Nuestro experimento proporciona un banco de pruebas para estudiar aplicaciones de redes cuánticas más allá de la escala de una sola ciudad" .

Valida las redes cuánticas asistidas por memoria. El resultado prueba que las memorias cuánticas pueden almacenar y anunciar entrelazamiento a lo largo de distancias prácticas de fibra, mientras superan el límite sin repetidores . Esta es una condición necesaria para construir repetidores cuánticos escalables y, en última instancia, una internet cuántica completa .

Se alinea con la infraestructura de telecomunicaciones existente. Los componentes clave —conversión de longitud de onda a la banda de telecomunicaciones, estabilización activa de fibra y memorias de átomos fríos— son todos compatibles con el equipo de fibra óptica estándar . Esto sugiere una ruta de actualización realista desde las redes actuales de distribución de claves cuánticas (QKD) hacia una futura internet cuántica con distribución de entrelazamiento de larga distancia habilitada por memorias.

Advertencias importantes

Si bien el logro técnico es genuino, es importante señalar que se trata de una demostración de laboratorio. El experimento utilizó fibra en bobina en un entorno controlado, no un enlace desplegado en el campo . La fibra incluía un tramo corto de campo que iba desde el laboratorio universitario hasta un nodo de medición en el Parque de Software de Hefei, pero la mayor parte de la distancia estaba en bobinas . El despliegue en el mundo real requerirá resolver desafíos adicionales de ingeniería, incluida la estabilidad de la fibra en el campo, la integración con hardware de conmutación y enrutamiento, y la expansión a múltiples nodos interconectados .